Устройство измерения характеристик прозрачных неоднородностей

 

Изобретение относится к оптическим теневым приборам, регистрирующим пульсации градиента показателя преломления исследуемой оптически прозрачной среды. Целью изобретения является компенсация вибрационных шумов в условиях минимальных шумов обтекания, а кроме того измерение средней скорости исследуемого потока среды в исследуемом объеме. Эта цель достигается путем установки в теневом приборе в плоскости изображения середины исследуемого объема фотоприемника, перекрывающего поле изображения и состоящего из нескольких фотодиодов, один из которых, расположенный в центре, представляет собой прямоугольник с соотношением сторон меньше 0,02, длинная сторона которого параллельна кромке ножа, а другие расположены симметрично центральному, причем выход с центрального фотодиода и суммарный выход со всех фотоприемников подключены к устройству вычитания, а выход устройства вычитания подключен ко входу устройства обработки сигнала, а выходы наиболее разнесенных в направлении, перпендикулярном кромке ножа, фотоприемников подключены к соответствующим корреляторам, выходы с которых подключены на вход устройства определения средней скорости потока. 1 ил.

Изобретение относится к области оптических приборов с фотоэлектрической регистрацией для исследования характеристик прозрачных оптических неоднородностей. Для этих целей широкое распространение получили оптические теневые приборы, измеряющие пульсации градиента показателя преломления прозрачной среды и основанные на методе Фуко-Теплера, описанные в монографии Л. А. Васильева "Теневые методы". - М .: Наука, 1968 г.

В книге изложены теоретические и экспериментальные основы теневых методов для исследования прозрачных неоднородностей и даны примеры практического применения в виде различных схемных решений.

Но в монографии не нашли своего отражения случаи установки приборов на движущиеся носители, что существенно изменяет как данные об исследуемом процессе, так и технические характеристики самого устройства. Движущиеся носители во всех средах, возможно, являются источниками вибраций, поэтому стало необходимым обеспечить неизменность положения конструктивных элементов прибора при воздействии этого фактора с помощью систем компенсации вибрационных шумов.

Недостатки аналогов устранены в технических решениях в книге "Морская рефрактометрия". Авторы М. А. Брамсон, Э.И. Красовский, Б.В. Наумов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986 г.

Здесь в разделе 3.4 "Теневые методы, обладающие повышенной устойчивостью к воздействию влияющих величин", представлены и проанализированы несколько оригинальных оптических схем, обеспечивающих решение вышеуказанных задач. Вывод из анализа схем, представленных в этом разделе, следующий: все технические решения осуществляют компенсацию вибрационных шумов только путем введения в оптическую схему различных элементов (призм, линз, зеркал или световода с постоянным показателем преломления).

Прототипом предлагаемого решения может быть схема на стр. 125, рис.3.15, потому что здесь после ножа установлены два фотоприемника, выходы которых подключены ко входам устройства вычитания. В результате реализации этой схемы обязательно возникнут нарушения в структуре исследуемого потока, что приведет к повышению шумов обтекания и искажению теневого изображения. Кроме того во всех аналогах и в прототипе не измеряется скорость пересекающих исследуемый объем неоднородностей, т.е. та характеристика, которая необходима для анализа изучаемого процесса.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и расширение эксплуатационных возможностей теневого прибора.

Указанная цель достигается тем, что в теневом приборе с коллимационной оптической схемой в плоскости изображения середины исследуемого объема установлена плата с набором фотодиодов, один из которых, расположенный в центре, представляет собой прямоугольник с соотношением сторон <0,02, причем длинная сторона параллельна кромке ножа, а короткая сторона, определяющая пространственное разрешение прибора, перпендикулярна кромке ножа, а другие фотодиоды расположены симметрично центральному и заполняют все поле изображения, причем суммарный выход всех фотодиодов, включая центральный и отдельно выход центрального фотодиода подключены к устройству вычитания, а выходы наиболее разнесенных в направлении движения носителя фотодиодов подключены к соответствующим корреляторам, выходы которых подключены на вход устройства определения средней скорости потока.

На чертеже изображена оптическая и структурная схемы предлагаемого устройства, которое имеет излучатель 1, конденсор 2, коллимирующий объектив 3, пентапризмы 4 и 4а, иллюминаторы 5 и 5а, между которыми размещается исследуемый объем, приемный объектив 6, нож 7, объектив 8, призму 9, фотоприемник 10, усилители (У1 и У2), устройство вычитания (УВ), устройство обработки сигнала (УОС), корреляторы (К1 и К2), устройство определения средней скорости потока (УОСС).

Работа теневого канала традиционна. Здесь конденсор 2 изображает тело излучения полупроводникового лазера 1 в плоскости А, при этом согласуя апертуру излучателя и апертуру коллимирующего объектива 3, который создает квазипараллельный световой пучок, который, пройдя пентапризму 4, иллюминатор 5, исследуемый объем, иллюминатор 5а, пентапризму 4а, попадает на приемный объектив 6, который изображает тело излучения полупроводникового лазера 1 в плоскости ножа 7, после чего объектив 8 совместно с объективом 6 изображает сечение середины исследуемого объема в плоскости фотоприемника 10, состоящего из 5 секций: а) центральной секции - узкий пучок (УП), представляющий собой фотодиод, вырезающий из исследуемого объема плоский световой пучок с соотношением сторон 1: 50, длинная сторона которого перпендикулярна направлению движения и параллельна кромке ножа 7; б) двух фотодиодов, слева и справа от центрального; в) двух периферийных фотодиодов, которые энергетически входят в широкий пучок и, кроме того, используются в качестве фотоприемников в устройстве определения средней скорости потока (УОСС).

Электрический сигнал с центрального фотодиода (УП) поступает в усилитель У1, а суммированный электрический сигнал со всех фотодиодов поступает в усилитель У2. Выходы с обоих усилителей (У1 и У2) поступают на вход устройства вычитания (У.В.), где синфазные составляющие сигналов, вызванные вибрациями, вычитаются, а случайные сигналы (несинфазные) сохраняются и поступают в устройство обработки сигналов (УОС), а сигналы с периферийных фотодиодов поступают соответственно в корреляторы К1 и К2, где решается задача поиска максимума автокорреляционной функции квазислучайного процесса при известном расстоянии между выбранными для анализа областями. Сигналы с корреляторов К1 и К2 поступают в устройство определения средней скорости (УОСС).

Данная схема устройства измерения характеристик прозрачных неоднородностей по сравнению с прототипом имеет ряд преимуществ: а) исключение из схемы световода с постоянным показателем преломления обеспечивает сохранение структуры исследуемого потока, а следовательно, снижает уровень шумов обтекания; б) компенсация влияния вибраций происходит путем вычитания электрических сигналов, реализованных из одного исследуемого объема и полученных путем вторичной фильтрации, т. е. установкой в плоскости визуализации фотоприемников, вырезающих узкий и широкий пучки; в) использование разнесенных в направлении движения носителя двух фотоприемников и подача сигналов с них на корреляторы с последующим вычислением средней скорости носителя расширяет эксплуатационные возможности системы в целом.

Формула изобретения

Устройство измерения характеристик прозрачных неоднородностей, представляющее собой теневой прибор, включающий источник излучения, конденсор, коллимирующий объектив, пентапризму, два иллюминатора, между которыми размещается исследуемый объем, вторую пентапризму, приемный объектив, нож, лизну, призму, фотоприемник и устройство вычитания, отличающееся тем, что фотоприемник состоит из нескольких фотодиодов, один из которых, расположенный в центре, представляет собой прямоугольник с соотношением сторон меньше 0,02, длинная сторона которого параллельна кромке ножа, а другие расположены симметрично центральному и заполняют все поле изображения, причем выход с центрального фотодиода и суммарный выход со всех фотоприемников подключены к устройству вычитания, а выход устройства вычитания подключен ко входу устройства обработки сигнала, а выходы наиболее разнесенных в направлении, перпендикулярном кромке ножа, фотоприемников подключены к соответствующим корреляторам, выходы с которых подключены на вход устройства определения средней скорости потока.

РИСУНКИ

Рисунок 1